冷科技：钻石是量子计算机最好的朋友

量子计算机是量子技术的顶峰。它的计算能力甚至可以远远超过我们现在使用的最快的普通计算机。来自奥地利维也纳科技大学、*家信息技术研究所和日本NTT基础研究实验室的科学家现在正在开发一种基于钻石微小瑕疵的新量子计算结构。在一台可靠的量子计算机中，一定有数十亿个量子系统可以解决复杂的问题。我们还不能制造这样的设备。然而，研究人员认为，与之前提出的量子计算概念相比，最新结构中的一些基本元素更适合微型化、大规模生产和组装成芯片。维也纳科技大学正准备测试这种新的量子计算结构。

几十年来，科学家们一直试图将剂量子系统用于逻辑计算。维也纳科技大学的乔格·施密德迈尔说:“在普通计算机中，一个字节可以存储一个数字:0或1。但是在量子物理学中，允许的状态是重叠的。一个量子字节可以同时处于0和1的状态，这为计算提供了不可思议的可能性。”

这种叠加态可以在各种量子系统中实现，例如被电磁陷阱捕获的离子。这项研究中提出的新结构是不同的:可以处于两种不同旋转状态的氮原子被注入一颗小钻石中。每个氮缺陷被捕获在由两个反射镜组成的光学谐振腔中。通过光纤，光子将与由谐振器、钻石和氮原子组成的量子系统结合。这样，科学家可以读取并影响量子系统的状态，但不会破坏钻石中旋转的量子属性。

每个量子系统由一面镜子、一颗钻石和一个氮缺陷组成，可以存储一个量子字节的信息——0、1或两者的任何叠加。然而，这种量子字节通常是不稳定的。为了使量子计算机能够可靠地工作，必须有一个纠错程序。维也纳科技大学的迈克尔·特鲁普克说:“如果使用纠错程序，量子字节就不能再存储在单个量子粒子中，量子系统必须具有相对复杂的互联结构。”。

研究人员计算出如何将谐振器、钻石和氮原子结合起来，创建一个抗误差的二维量子系统，即所谓的“拓扑保护量子计算机”根据计算，大约需要45亿个这样的量子系统来完成“shor-2048”的计算，即计算2048比特数的质因数。

在任何量子计算机结构中，都需要如此多的量子元素，无论是离子阱、超导量子字节还是钻石中的氮螺旋。“我们方法的主要优势之一是我们知道如何使这些元素变得更小。这种结构在小型化和大规模生产方面有很大潜力，”迈克尔·特鲁普克说。“钻石被用于整个行业，材料科学发展非常迅速。尽管仍有许多障碍需要克服，但将氮螺旋整合到固体材料中的想法为我们最终制造量子计算机开辟了一条新的道路。”

Trupke将量子计算的当前状态与电子计算机首次出现的时间进行了比较，“当第一批晶体管被制造出来时，没有人会想到将数亿个晶体管放入一个小芯片中。今天，我们把这样的芯片放在口袋里。这些钻石中的氮螺旋就像普通电脑中的晶体管。”

在维也纳科技大学，研究人员已经开始在小范围内实施这一结构。“我们有很大的优势。许多在材料科学和量子技术方面享有国际声誉的研究人员在维也纳理工大学工作，我们很荣幸与他们合作，”乔格·施密德迈尔说。

在量子计算机上完成shor-2048这样的计算可能还有很长的路要走。但是科学家相信，只要大量的量子系统结合在一起，这个目标就有可能在未来几年内实现。“一旦这个目标实现，量子计算机的生产规模将会迅速扩大，”*家信息技术研究所的奈本说。“这完全取决于我们能否实现量子技术的大规模生产和小型化。我不认为任何物理原理会阻碍我们实现这个目标。”

(原名图文，原标题“钻石是量子计算机最好的朋友”，由小蝌蚪君编辑。请注明转载来源。)